微乳液-超臨界CO2流體技術的設備設計

陳英萍，聞利群，周武峰

（中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051）

微乳液-超臨界CO2流體技術的設備設計

陳英萍，聞利群，周武峰

（中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051）

本文設備設計用于微乳液-超臨界CO2流體技術高壓體系的紫外在線檢測，高壓池體側端帶有控溫探針，能實時測量池內溫度，同時高壓池外部設有加熱帶能夠自行調節溫度，池體與萃取釜主體相連，通過閥門控制流量，這樣的設計保證了池內所測的物質與萃取釜都在同等條件下，真正實現了在線檢測。

在線檢測；紫外光譜；設備設計；超臨界流體技術；微乳液

紫外分光光度法是研究溶液反應動力學的常用方法之一，超臨界流體介質的壓力一般在幾個兆帕以上，而一般的紫外-可見分光光度計無法滿足高壓要求，因此在超臨界流體中研究化學反應動力學一直是一個棘手的問題[1]。超臨界CO2萃取過程中，被萃取物料的得率取決于超臨界CO2在萃取裝置中的流動狀態，萃取的批與批之間會有較大差異；而且萃取過程中不同的時間段，萃取物成分也會有一些差別。如何使萃取產品質量穩定可控是一個急需解決的問題，通過萃取過程中的在線檢測實現產品質量控制是一條重要途徑。在超臨界CO2萃取生產中，靠離線檢測分析萃取物，并以此調節生產過程，不可避免地存在一定的滯后，不能及時反映萃取過程中出現的問題，同時也不能調整不合理的生產狀態而使該批產品報廢，造成較大的經濟損失，而在線檢測則能快速分析檢測萃取物，有效監控萃取過程，保證產品質量。通過在線檢測系統還可以了解、評價提取工藝的合理性，為優化萃取工藝條件提供實驗數據[2]。因此，在線檢測技術對促進超臨界CO2萃取技術的發展有非常重要的意義。

1 工藝流程設計

工藝流程設計是針對某一種物料，以試驗技術為基礎，以中試裝置長時間正常運行的工藝技術為依據，設計出可用于超臨界CO2流體萃取流程，具有進一步分離產品的能力，并可適用于多種天然產物有效成分分離、精制的裝置。超臨界流體萃取過程由萃取階段和分離階段組成，按照所采用的操作方法不同，有變壓萃取分離（等溫法）、變溫萃取分離（等壓法）和吸附萃取分離（吸附法）3種基本的工藝流程。但是，隨著工藝研究的發展，單純的等溫或等壓法，已不能再滿足人們需求，本設計綜合了等溫等壓的優點，采用氣泵控壓，水浴加熱，使用銅-鎧傳感器控溫，不但能實時精確測溫，且加工、操作簡單，降低了設備成本。流程圖如下（圖1）

圖1 微乳液-超臨界CO2流體萃取流程圖

2 機械結構設計

本文主要涉及到兩個設備的設計：萃取釜和高壓檢測池。萃取釜是超臨界萃取技術發展的關鍵之一，對不同形態物料需選用不同的萃取釜；高壓檢測池設計的合理性直接影響到物質檢測結果，因此其重要性不容小覷。

2.1 萃取釜設計

萃取釜結構的一個重要參數是長徑比，對于固態物料，其長徑比在1∶4～1∶5之間，對于液態物料，其長徑比為1∶10左右。SC-CO2微乳液是表面活性劑分子溶于SC-CO2相自發形成的聚集體，其中表面活性劑的非極性尾伸展于SC-CO2相，極性頭聚集成極性核，水分子增溶于微乳核中，從而形成熱力學穩定、光學上透明的微乳液[3]。本文針對的是AOT-異辛烷-水微乳液體系而加工的實驗設備，通過考察文獻和資料得知實驗所采用的微乳液最大膨脹度為550%，所以，設計萃取釜時沒有根據通常的長徑比計算，而是根據實際微乳液膨脹度計算所得，取長徑比為1∶2.2。

為了觀察到物料的反應情況，本設計給萃取釜的側面安裝了視窗（如圖2），可直接觀察到液面的反應情況，視窗材料使用有機玻璃，玻璃面上有刻度，不僅能直觀的觀察液面反應情況，而且還可以只通過簡單計算就得到液體的膨脹體積。

釜體和端蓋的密封采用螺紋密封，密封墊片采用聚四氟乙烯，進料管直接焊入釜蓋內部，由于超臨界CO2萃取過程有較高的操作壓力，所以高壓釜上設有安全閥，當壓力高于設計壓力時，安全閥自動放空，可避免事故[4]。在萃取釜內，還裝有物料提籃，提籃的底端放有燒結片，可方便得到萃取物。

圖2 微乳液-超臨界CO2萃取釜

2.2 高壓檢測池設計

超臨界流體內化學動力學的研究中，因分光光度法檢測要求被測物必須盛放在比色皿里面，而普通的比色皿不能滿足高壓的要求，在線檢測根本無法實現。本文的高壓檢測池為兩面透光的柱狀密閉耐高壓金屬池，金屬的材質為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，兩端透光視窗采用石英玻璃（最高設計壓力21MPa，厚度為10mm），直徑Φ=14mm，其內部結構如圖3所示。高壓檢測池的內體積為4.6mL，光程長約為29mm，進出樣口位于柱體柱面兩側，接縫處用聚四氟乙烯墊片密封，能夠拆卸徹底清洗。

圖3 紫外高壓檢測

3 過程研究

實驗時，打開截止閥，將配置好的含有萃取物料的微乳液放入高壓萃取釜內，調節溫度達到設定值。打開（如圖4）四通閥中的F1、F2，關閉F3、F4，通過氣泵向釜內通入CO2，達到預定值后，停止加壓，關閉F1。保持溫度、壓力恒定，靜置1h左右，以確保體系充分擴散、濃度均勻。在這期間，打開F3，向高壓檢測池中通入CO2掃基線，關閉F2，檢漏后用針形閥排空2次，打開電熱帶加熱，調整溫度和萃取釜內溫度一致，待高壓檢測池的溫度達設定值后，打開F1，調整節流閥F5將試液慢慢注入高壓檢測池內，開啟高壓紫外可見分光光度計，開始時間掃描并記錄結果。可以打開F4取樣，放在另一臺紫外光譜儀上檢測，記錄結果，對比實驗中在線和離線檢測的數據差異。

圖4 實驗流程圖

4 結語

本文設計的設備初步應用于實驗室微乳液-超臨界CO2流體技術中，使用良好。文獻[5]中采用的是先取樣再檢測的間接方法，但此方法對快速反應明顯不適用，而且取樣過程中肯定會改變反應液的相組成而帶來誤差。劉元沖等[6]曾采用改建的高壓紫外可見分光光度計解決了高壓在線檢測的問題，但他們在實驗時仍需手工搖動檢測池，使微乳液達到勻一透明一相，這還是不可避免的存在著檢測延遲。本文設計用于高壓體系的紫外在線檢測，高壓池體側端帶有控溫探針，能實時測量池內溫度，同時高壓池外部設有加熱帶能夠自行調節溫度，池體與萃取釜主體相連，通過閥門控制流量，這樣的設計保證了池內所測的物質與萃取釜都在同等條件下，真正實現了在線檢測。

［1］ 劉元沖，等.一套高壓紫外在線檢測的動力學研究方法[J].南京師大學報（自然科學版）2007，3（4）.

［2］ 雷華平，等.超臨界CO2流體萃取中的在線檢測技術[J].化工進展2006：367-370.

［3］ 韓布興，等.超臨界流體科學與技術[M].中國石化出版社，2004：49-61.

［4］ 廖傳華，等.超臨界CO2萃取技術及成套裝備[J].石油化工設備，2002，31（5）.

［5］ Fernandez CidM V,Van Der Kraan M,Veugelers W JT,et al. Kinetics study of a dich lorotriazine reactive dye in supercritical carbon dioxide[J].Super critical Fluids,2004,32(1/3):147-152.

［6］ 劉元沖，等.一套高壓紫外在線檢測的動力學研究方法[J].南京師大學報（自然科學版）2007,3（4）.

Equipment design of the microemulsion-CO2supercritical fluid technology

CHEN Ying-ping,WEN Li-qun,ZHOU Wu-feng
(School of Chemical Engineering and Environment,North university of China Shanxi Taiyuan 030051)

This design of equipment is for UV-line detection of high-pressure system of microemulsion-CO2supercritical fluid technology.Two sides of the high-pressure pool body with a temperature probe can real-time detect temperature of pool.The external high-pressure tank with heater band can be self-adjust the temperature.The pool body is connected with the main extraction kettle,flow is controled through the valve,This design can ensure substances measured into the high-pressure pool and extraction kettle into the same extraction conditions,on-line detection is truly realized.

on-linedetection;UVspectroscopy;equipmentdesign;supercriticalfluidstechnology;microemulsion

book=2010,ebook=80

10.3969/j.issn.1008-1267.2010.02.011

TQ 051.8+3

A

1008-1267（2010）02-0029-03

2009-11-03

陳英萍（1984-），女，在讀碩士，主要從事設備安全和無機納米粒子技術方面研究。